一種應(yīng)急救援索系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用研究

陳玉璽，韓鵬彪

(1.巨力索具股份有限公司，河北保定 072550；2.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

一種應(yīng)急救援索系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用研究

陳玉璽1，韓鵬彪2

(1.巨力索具股份有限公司，河北保定 072550；2.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

在地形、地勢復(fù)雜的地區(qū)輸送應(yīng)急救援人員或物資面臨著道路中斷等情況。為了解決這類問題，依據(jù)國標(biāo)規(guī)范和實地工況，提出了小型救援系統(tǒng)的基本設(shè)計要求和工作原理，設(shè)計了結(jié)構(gòu)參數(shù)。針對該救援系統(tǒng)的承載索部件，闡述了其設(shè)計方法和力學(xué)計算過程，并建議采用超高分子量纖維繩替代鋼絲繩的設(shè)計，以降低系統(tǒng)成本，提高工效，然后對該救援索系統(tǒng)的牽引驅(qū)動模塊進(jìn)行了設(shè)計計算。在湖北省某地，采用機(jī)械提升倒裝法對該救援索系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場組裝、調(diào)制和試驗，證實了在復(fù)雜的地理條件下利用臨時組裝架空索道實現(xiàn)小型物資應(yīng)急輸送的可行性，為實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)物資的遠(yuǎn)距離、快速架設(shè)索道應(yīng)急輸送技術(shù)開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支持及設(shè)計試驗方法，具有一定的推廣應(yīng)用意義。

懸索與張拉結(jié)構(gòu)；應(yīng)急；救援；索具；聚乙烯纖維繩；承載索

災(zāi)害是指自然或人為事件造成嚴(yán)重的財產(chǎn)破壞和人員傷亡，或是人員被困，或是設(shè)備受損，影響受災(zāi)群眾的正常生活和生產(chǎn)。這種損害超出了一個地區(qū)維持正常運轉(zhuǎn)的能力范圍，需要尋求外界的救助。此時往往造成建筑損毀、道路中斷、信息不通，因此，緊急構(gòu)建一條運輸通道，運送傷員、救援物資及中小型救援設(shè)備器材等，就等于構(gòu)建了一條生命通道[1-3]。目前，國內(nèi)外業(yè)界非常重視對各種災(zāi)難事故應(yīng)急救援預(yù)警、管理、處置系統(tǒng)和設(shè)備的研究和應(yīng)用，研究開發(fā)應(yīng)急救援系統(tǒng)具有非常重要的意義。

本文介紹了一種輕型應(yīng)急救援索系統(tǒng)，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、承載索及牽引系統(tǒng)等進(jìn)行了計算和設(shè)計。該應(yīng)急救援索系統(tǒng)在湖北省某地實地進(jìn)行了現(xiàn)場安裝和試驗，并投入了使用。

1 設(shè)計要求及應(yīng)用條件

應(yīng)急救援索系統(tǒng)的設(shè)計要求：該裝備適用于陡坡上下端或溝壑兩側(cè)，進(jìn)行儀器設(shè)備的快速輸送，陡坡高差15～150 m，儀器自重1 t以下；或者應(yīng)用于高差小于15 m、有溝壑障礙(如河流，山澗)的儀器設(shè)備輸送。為了安裝方便快捷，運輸工具只需抵達(dá)陡坡一端或溝壑的一側(cè)，或自下向上、或自上向下實現(xiàn)設(shè)備輸送，陡坡兩端之間或溝壑兩側(cè)，有能容許人畜攀爬通過的基本通道，另一端(側(cè))不提供電源，具體設(shè)計要求滿足《GB 50127—2007架空索道工程技術(shù)規(guī)范》和《GB 12141—2008貨運架空索道安全規(guī)范》。主要技術(shù)指標(biāo)為1)最大貨物載重量：1 t；2)最大貨物高度、寬度尺寸：3.0 m×3.0 m的管狀物；3)有效輸送距離：30～150 m；4)最大線路高差：15～150 m；5)最大線路坡度：45°；6)安裝調(diào)試綜合時間不大于4 h。

2 工作原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

依據(jù)設(shè)計要求及應(yīng)用條件，參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，該裝備選用單索往復(fù)式結(jié)構(gòu)方案，全程采用遙控電動驅(qū)動操作，應(yīng)急救援索系統(tǒng)工作原理側(cè)型圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)急救援索系統(tǒng)側(cè)型圖Fig.1 Side diagram of emergency rescue cable system

1) 結(jié)構(gòu)型式：單索往復(fù)式架空索道。

2) 運行速度：運行最大速度為6.0 m/min；放繩速度為0～6.0 m/min。

3) 承載索：Φ24 mm超高分子質(zhì)量的聚乙烯纖維繩[4]，安全系數(shù)取3，使用專用在線張緊裝置安裝固定。

4) 支架：高強度鋁合金桁架結(jié)構(gòu)支架，現(xiàn)場組裝；支架高度共5節(jié)，總高8.4 m，最大占地面積5.0 m×5.0 m，陡坡兩端各安裝1組。

5) 牽引索：Φ8 mm超高分子質(zhì)量的聚乙烯纖維繩(專用)，安全系數(shù)>4.5。

6) 驅(qū)動裝置：專用驅(qū)動裝置1套(額定驅(qū)動力為12 kN，電機(jī)功率為2.2 kW)。

3 承載索設(shè)計

3.1 鋼絲繩承載索的設(shè)計計算

3.1.1 撓度選擇及被吊物尺寸

承載索是一個柔性構(gòu)件，只承受拉應(yīng)力，其材料服從胡克定律。分析其受力時，支架上承載索鉸點的變形可忽略不計，由此可按拋物線理論對承載索受力進(jìn)行分析計算，求解承載索的張力、垂度、切線傾角、曲率半徑及曲線長度，以解決纜機(jī)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)強度和承載索的安裝長度問題，以及起重小車的運行阻力及相關(guān)的牽引功率問題[5-7]。

在計算承載索參數(shù)之前，需要確定承載索的撓度[8]。架空索道承載索的工作垂度ε(跨中最大撓度與水平跨度的比值)一般為0.05～0.07，理想垂度為0.04～0.06[9]，按承載索最大跨距L=150 m計算，即跨中撓度最小f=ε×L=0.04×150=6 m。本裝備支架為臨時安裝，承載索的撓度越大，在通過相同被吊物高度前提下，支架安裝高度就越高，安裝難度也越大。綜合考慮索道的安裝效率，實際選擇承載索撓度為4 m，支架高度為8.4 m。

假設(shè)吊鉤長度為0.4 m，被吊物捆綁索受力后伸長0.5 m，預(yù)留障礙點與被吊物底端安全間距為0.5 m，當(dāng)?shù)匦涡逼露该媾c索道玄平行時，計算通過最大被吊物高度為

H=8.4-0.4-0.5-0.5-4.0=3.0 m。

即，本救援索系統(tǒng)理論被吊運輸物最大高度不得大于3.0 m。本支架采用門式結(jié)構(gòu)，允許尺寸不大于3.0 m×3.0 m的管狀物通過。

3.1.2 承載索最大張力計算

從理論上講，影響承載索張力的主要因素有承載索的撓度、傾角、跨距、集中載荷位置等。當(dāng)撓度、跨距為定值時，經(jīng)計算比較得知，牽引索正常運行狀態(tài)下，在承載索傾角為45°、集中載荷在中點時，承載索產(chǎn)生的張力最大。圖2為承載索受力分析[10-12]。

根據(jù)力的平衡原則，當(dāng)載荷集中在中點時，承載索可以完全看成是柔性承載，忽略承載索自重均載等影響因素，則當(dāng)被吊物質(zhì)量為1 t時，重力的水平分力：

(T+t)sinα-Tsinβ=0，

重力的垂直分力：

(T+t)cosα-Tcosβ-1=0。

其中：T為承載索張力；t為牽引力；α為載荷點處承載索上段與豎直線的夾角；β為載荷點處承載索下段與豎直線的夾角。

計算可得T=128.9 kN，t=7.1 kN。

圖2 承載索受力分析Fig.2 Bearing cable force analysis

如果集中載荷在中點駐留，牽引索將被完全放開，被吊物與承載索卡死，完全依靠摩擦力停留，此時承載索上半段承受的實際張力為T+t=128.9+7.1=136 kN。

3.1.3 鋼絲繩直徑及自重的確定

安全系數(shù)取3.0，計算得鋼絲繩最小破斷拉力T0=3.0×136=408 kN。

選用強度級別為1870級填充式鋼絲繩，鋼絲繩最小直徑約為24 mm。直徑為24 mm的鋼絲繩質(zhì)量比約為230 kg/100 m，如果按最小長度220 m(45°斜邊長度為212 m，預(yù)留8 m作為張緊使用)計算，得出鋼絲繩的最小質(zhì)量為506 kg。

通過以上計算證明，在不考慮切線傾角、曲率半徑等其他不利因素情況下，自重506 kg的鋼絲繩承載索無法滿足人工架設(shè)的需要，因此，承載索必須選用一種高強、輕質(zhì)、柔軟的材料替代。

3.2 超高分子質(zhì)量纖維繩承載索

超高分子質(zhì)量聚乙烯具有其他工程塑料無可比擬的耐磨損、耐沖擊、耐化學(xué)藥品腐蝕、自潤滑等性能[13]，且其相對密度也是常規(guī)工程塑料中最低的(0.94)，超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維繩的質(zhì)量為同直徑鋼絲繩的15%，即名義直徑為24 mm的超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維繩索質(zhì)量約為W=506×15%=75.9 kg。名義直徑為24 mm的超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維破斷拉力為520 kN，經(jīng)插編成索后，其帶環(huán)眼繩索破斷拉力為470 kN。以該成品索作為樣機(jī)承載索，其成品索安全系數(shù)N=3.526。

因此，使用相同直徑的超高分子質(zhì)量纖維繩制作承載索[14]，其理論破斷強度稍高于鋼絲繩，安全系數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的3.0，滿足需要。

4 牽引系統(tǒng)設(shè)計

牽引系統(tǒng)包括牽引索、驅(qū)動裝置(見圖3)、貨車和電器控制4個部分。

圖3 驅(qū)動裝置Fig.3 Drive device

4.1 牽引索設(shè)計

牽引索選用與承載索相同的材料，即超高分子質(zhì)量聚乙烯纖維繩，名義直徑為8 mm，破斷拉力為65.5 kN，理論質(zhì)量比為4 kg/100 m。按牽引索實際需求的最大拉應(yīng)力10 kN計算安全系數(shù)和質(zhì)量。

安全系數(shù)：n=65.5/10=6.55。根據(jù)《GB 12141—2008貨運架空索道安全規(guī)范》要求，牽引索安全系數(shù) 6.55>4.5，滿足要求。

牽引索是雙向的，實際長度相當(dāng)于承載索的2倍，即220×2=440 m?？紤]到纏繞在牽引輪的部分，實際取長為500 m，牽引索質(zhì)量W=20 kg，滿足要求。

4.2 驅(qū)動裝置設(shè)計

根據(jù)牽引索牽引力，計算驅(qū)動裝置功率和牽引速度。

P=KFV/60η，

其中：P為電機(jī)功率，kW；F=9.8 kN；V=0～6 m/min；η=0.5～0.8，為綜合傳動效率系數(shù)，本文選0.5；K為設(shè)計余量，為1.25。

計算得P=2.04 kW。

經(jīng)圓整，選擇牽引電機(jī)功率為2.2 kW，輸出速度為6 m/min。

5 安裝與試驗

5.1 選址原則

第一，使用該裝備前，應(yīng)熟悉安裝現(xiàn)場，并對架設(shè)位置進(jìn)行現(xiàn)場實地調(diào)查，確定具備安裝條件；

第二，被輸送貨物的兩端點設(shè)有預(yù)埋基礎(chǔ)(或天然固定點)，支架安裝后，兩端點連接玄線，距離障礙點的距離最小不低于8 m，被運載設(shè)備高度不得大于3.0 m；

第三，場地兩側(cè)應(yīng)有能夠允許人/畜通過的通道，允許搬卸基本物品和鋪設(shè)承載索、牽引索；

第四，承載索、牽引索一同鋪設(shè)，盡可能避開樹木等影響索體張緊升空的部位，如必須通過樹林等，可對局部樹木進(jìn)行砍伐清理。

5.2 支架安裝

通常地錨(預(yù)埋基礎(chǔ))與支架頂端的連線與地面之間的夾角不小于20°，按支架高度為8.5 m計算，地錨與支架距離不小于23.5 m。當(dāng)架設(shè)支架在極限高度，即承載索傾角為45°時，支架承受的總壓力為F=146 kN。支架受力分析如圖4所示。

圖4 支架受力分析圖Fig.4 Force analysis of support frame

本支架共5層，每層1.6 m，采用桁架式組裝結(jié)構(gòu)，組裝的層數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場地形需要決定，以能夠通過障礙物為準(zhǔn)。支架材料全部選用7075高強度鋁合金，為了提高安裝效率和搬運方便，每一個組裝部件自重最大不超過25 kg。

支架的安裝采用“提升倒裝法”，即先安裝最頂層，然后利用起升機(jī)構(gòu)將支架的4個角同步水平升高至1.8 m，安裝第2層，然后將一、二層同時升高，安裝第3層，下面安裝依此類推[15-17]。

5.3 承載索安裝

在一般小型索道中，承載索的安裝和調(diào)試都是靠手拉葫蘆完成的。安裝前,首先精確測量兩端的安裝距離，計算好包含垂度、伸長在內(nèi)的實際長度尺寸，在鋼絲繩上做好標(biāo)記，安裝時，張緊到標(biāo)記位置固定，控制設(shè)計垂度。

圖5 動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.5 Dynamic adjusting machine

本承載索的安裝，不需要考慮實際安裝距離、傾斜角度和張力，因為承載索一端直接與地錨連接，而另一端纏繞在動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(見圖5)上面，利用動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的收線功能,將多余的承載索逐步收緊、固定，前后用時不超過15 min。在使用中，如果發(fā)現(xiàn)張緊力不夠(撓度太大，物料過不去)，再啟動“動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)”進(jìn)行液壓張緊。在動態(tài)張緊器上，動態(tài)顯示承載索當(dāng)前的張力狀態(tài)和拉力。

5.4 牽引索與驅(qū)動裝置安裝

牽引索分別纏繞在2個儲存輪上面，一根直接將牽引索從儲存輪拉出，經(jīng)支架、貨車，到達(dá)另一端支架的轉(zhuǎn)向滑車，折回與貨車連接，另一根直接經(jīng)支架連接到貨車的滑車上。2個儲存輪分別由2個獨立的電機(jī)驅(qū)動，可以獨立操作，也可以聯(lián)動，實現(xiàn)上下料操作及物料輸送。

5.5 試驗

關(guān)于小型固定索道的安裝，目前中國尚無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計與施工圖，圖紙標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范大多憑經(jīng)驗或參照小礦山進(jìn)行，一般澆注地錨的施工和錨桿索的安裝約需15天(主要是從混凝土的凝固考慮)，最后進(jìn)行主承載索、支架、制動器及礦斗和牽引索的安裝，整個工期約20天[9]。不僅安全性得不到保障，而且施工時間長，費用高。

本應(yīng)急救援索系統(tǒng)試驗主要針對固定位置、預(yù)設(shè)基礎(chǔ)的應(yīng)急搶修，基礎(chǔ)制作采用快干水泥澆筑(或天然固定裝置，如突出的巖石，大型樹木等)，用時2天，安裝僅需4 h。圖6是在湖北某地進(jìn)行的現(xiàn)場試驗，場地兩端長度約為80 m，坡度大于30°，根據(jù)場地情況，上端為了跨越低矮圍墻，支架安裝了5層，下端是沖積水溝，支架僅安裝2層。安裝后，起吊1 t重貨物，運行2 h，順利完成預(yù)定試驗。

圖6 試驗現(xiàn)場Fig.6 Test site

6 結(jié) 語

1)該應(yīng)急救援索系統(tǒng)，最大載重量達(dá)1 t，有效輸送距離30～150 m，救援地高差15～150 m。

2)采用超高分子質(zhì)量的纖維繩承載索替代鋼絲繩，可有效降低系統(tǒng)質(zhì)量，提高系統(tǒng)承載能力和安全系數(shù)，降低成本。

3)在湖北某地進(jìn)行實地安裝、調(diào)試及試驗，驗證了本系統(tǒng)在山區(qū)陡坡、溝壑、河流等復(fù)雜地理條件下，利用臨時組裝的架空索道實現(xiàn)小型物資應(yīng)急輸送的可行性。

4)本應(yīng)急救援索系統(tǒng)的應(yīng)用，為實現(xiàn)重型物資的遠(yuǎn)距離應(yīng)急索道輸送技術(shù)開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支持及設(shè)計試驗方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Development and application of an emergency rescue cable system

CHEN Yuxi1, HAN Pengbiao2

(1.Juli Sling Company Limited, Baoding， Hebei 072550, China;2.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In the complex area, emergency rescue personnel and materials transport may face various conditions such as road break. To overcome this kind of problems, the basic design requirements and working principle of the rescue system are put forward and the structural parameters are designed based on national standard specification and working condition of field. The design method and the mechanics calculation process of the bearing cable part of the rescue system are expounded, and the design of replacing the wire rope with ultra-high molecular weight fiber rope is proposed, which can reduce the system cost and improve the efficiency. Then the traction drive module of the rescue cable system is designed and calculated. In a certain area of Hubei province, the field assembly, modulation and test of the rescue cable system are carried out with the mechanical lifting inversion method, which proves that the temporary assembling overhead cableway can realize the emergency transportation of small materials under the complicated geographical conditions. So the data support and design test method are provided for realizing the long-distance and rapid erection of the emergency transportation technology, which has a wide application prospect.

cable and tension structure; emergency; rescue; rigging; polyethylene fiber rope; carrying cable

1008-1534(2017)02-0130-05

2016-12-30;

2017-03-13；責(zé)任編輯：馮 民

陳玉璽(1966—)，男，河北保定人，工程師，主要從事索道、索具、鏈條等研發(fā)與技術(shù)管理方面的工作。

E-mail:3232577923qq.com

TB21

A

10.7535/hbgykj.2017yx02010

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